基于C8051F020的嵌入式以太网监控系统

　　引 言
   　　近年来，随着网络技术的发展，网络化席卷全球。在工业现场中如何将测控系统等仪器和设备接入互联网，实现信息共享和远程控制成为人们关注的话题。传统的工业测控现场所采用的总线技术（如RS232和RS485等）能够很好地解决仪器与设备的互联互通问题，并得到了广泛的应用。但此类总线是专为工业所设计的，并不能解决因特网的接入问题。采用单片机配合以太网控制芯片构成测控系统，可解决测控系统与互联网的接入问题，但却需要花费大量的时问和精力进行开发。采用商品化的串口服务器或网络服务器进行网络互联，虽可实现网络互联，但软硬件成本很高。针对这些情况，我们采用低成本的RS232以太网转换模块作为网络互联媒介，设计了基于美国Cygnal公司的C8051F020的嵌入式以太网监控系统。结果表明，该监控系统充分利用了现有以太网资源，实现了远程测控终端与监控中心的通信功能，从而实现了高可靠性、低成本的实时监控，达到了工业现场安全运行的目的。
   　　1 RS232-以太网模块及C8051F020简介
   　　ZNE-100PT是周立功公司开发的一款RS232-以太网模块模块，内部集成了TCP／IP协议栈，利用它用户可以轻松实现嵌入式没备的网络功能。其主要特点是：
   　　◆内嵌32位ARM7 CPU；
   　　◆支持TCP／IP协议（包括Ethernet、ARP、IP、ICMP、IGMP、UDP、TCP、HTTP和DHCP），工作方式可选择为TCP Server、TCP Client、UDP、Real COM driver和GroupMode．TCP Auto组播地址工作端口目标IP和端口均可设定支持PairConnection对连方式工作；
   　　◆10M以太网接口使用排针方式引出；
   　　◆RS232或RS485串口，TTL电平方式，波特率为300～115200 bps。
   　　采用RS232以太网模块进行网络互联，可大幅度缩短软件开发时间，且成本很低。
   　　单片机C8051F020是一款完全集成的混合信号系统级芯片，与8051指令集完全兼容。它具有如下特点：
   　　◆高速流水线结构的8051兼容的CIP-5l内核（可达25 MIPS）；
   　　◆高速非侵入式的在线系统调试接口（片内）；
   　　◆真正12位100Ksps的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关；
   　　◆2个12位DAC；
   　　◆64 KB可在系统编程的Flash存储器；
   　　◆4352（4096+256）字节的片内存储器；
   　　◆可寻址64 KB地址空间的外部数据存储器接口；
   　　◆硬件实现的SPI、SMBus／I2C和2个UART串行接口；
   　　◆5个通用16位定时器；
   　　◆5个捕捉比较模块的可编程计数器／定时器阵列；
   　　◆片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器。
   　　C8051 F020是一款真正独立工作的片上系统，将C8051F020用于嵌入式以太网监控系统，可大量减少外围器件，充分发挥C8051F020的高速度特点，大大提高了系统的集成度。
   
   　　2 嵌入式以太网监控系统的技术要求和硬件实现方案
   
   　　2．1 技术要求
   　　用户对嵌入式以太网监控系统的要求如下：
   　　◇8位全隔离数字输入接口；
   　　◇8位全隔离数字输出接口；
   　　◇8路12位模拟／数字输入接口，输入电压DC为O～12 V：
   　　◇2路12位数字／模拟输出接口，输出电压DC为O～5 V；
   　　◇RS232串行接口，最高波特率为19．2 khps；
   　　◇RJ45 10M网络接口。
   　　2.2 实现方案
   　　根据用户提出的技术要求，以单片机C8051F020为核心，辅以RS232-以太网模块ZNE-100PT及少量外围电路，构成嵌入式以太网监控系统的硬件电路，如图1所示。
   
   　　
   
   　　图1中，由于C8051F020具有2个标准串行接口，因而一个分配给ZNE-100PT模块，作为以太网接口，另一个就分配给了RS232接口，作为与上位机的通信接口（其通信速率可根据用户要求在300～19200 bps调整。
   　　对于8路模拟信号输入接口，要求其最高输入电压为+12V，而C8051F020的片内A／D转换器最高输入电压为+3V。对于+12V的输入电压，可采用电阻分压衰减电路，将+12 V的输入电压降为+3 V输入；而对于8路O～5 V的模拟输出电压，则可直接利用运算放大器放大输出，电路如图2所示。
   
   　　
   
   　　数字输入部分采用光电耦合器将数字输入信号与本系统隔离，从而减小了外界干扰对系统的影响；数字输出部分也采用光电耦合器进行隔离，如图3所示。
   
   　　
   
   　　3 ZNE-100PT模块的使用和网络通信规约
   
   　　在使用RS232-以太网模块ZNE-100PT之前，应当按照ZNE-100PT的要求对模块进行软件配置。主要工作有配置模块的IP地址、模块的子网掩码、模块网关和串行接口的波特率等参数。配置完成后模块即可使用。需要注意的是，设置模块属性时，可将帧起始字节和帧结束字节设为空。这样，当模块对通信数据划分TCP／IP数据包时，就可按串口数据的帧间隔作为分包条件。
   　　根据监控系统的要求，设定本系统与以太网之间的通信规约。
   　　通信数据格式字头+命令字+数据长度+数据体
   　　①字头：START。
   　　②命令字：共计1个字。
   　　第1字节：表示数据传输方向。由单片机→以太网为U；由以太网→单片机为P。
   　　第2字节：为命令字。
   　　命令l：由单片机→以太网时，表示后面数据为8路A／D输入值和8路数字I／O输入值；由以太网→单片机时，表示后面数据为2路D／A输出值和8路数字I／O输出值。
   　　命令2：由单片机→以太网时，表示后面数据为RS232接口收到并转发以太网的，数据体长度小于255字节；由以太网→单片机时，表示后面数据需经监控系统的RS232接口发出，数据传送结束时监控系统返回OK，表示传送结束。
   　　③数据长度：>999字节，表示后面数据体的长度。
   　　④数据体：所需传输的数据。
   
   　　4 监控系统软件流程
   
   　　由于监控系统需要经由ZNE-100PT双向传输数据并需进行相关操作，因此监控系统软件流程如图4所示。
   
   　　
   
   　　图4中，CPU首先进行初始化。之后分别采集以太网上发送过来数据以及本机的A／D和I／O输入数据。采集完成后，如果收到的是D／A和I／O输出数据，则进行D／A和I／O输出数据的更新。如果是以太网的RS232输出数据，则启动RS232接口并发送数据；否则，定时向以太网发送本机的A／D和I／O输入数据。如果是RS232接口的数据，则向以太网进行转发。
   　　结语
   　　本文设计的基于SoC单片机C8051F020的嵌入式以太网监控系统，采用了RS232以太网模块，从而使软件开发的工作量大大减少，使监控系统得以依托以太网实现远程测量及控制。本系统已用于日本某公司的生产线，且受到用户的好评。将本系统的某些参数适当修改，也可以用于其他工业控制场合中。